引用本文
金康, 张楠, 刘冰. 法布里-珀罗干涉仪在远程探测领域的应用[J]. 光谱学与光谱分析, 2024,44(7): 1801-1812.
JIN Kang, ZHANG Nan, LIU Bing. Applications of Fabry-Perot Interferometer in Remote Sensing Detection[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2024,44(7): 1801-1812.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2024)07-1801-12  
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法布里-珀罗干涉仪在远程探测领域的应用
金康1, 张楠1, 刘冰2,*
1.南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所, 天津 300350
2.火箭军特色医学中心疾病预防控制科, 北京 100088
*通讯作者 e-mail: neaucn@126.com

作者简介: 金 康, 1998年生,南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所硕士研究生 e-mail: king53124@163.com

收稿日期: 2023-04-21 修回日期: 2023-10-30
基金: 开放项目(BEP21C003),国家自然科学基金项目(12374290)资助
摘要

远程光谱探测是人类探索大尺寸空间和物质的重要手段, 在天文、 气象、 深海等领域发挥着重要的作用, 但收集远程光谱对光谱仪的性能也提出了很高的要求。 根据Jacquinot提出的光谱性能评价标准, 相较于其他光谱系统(光栅光谱仪, 棱镜光谱仪等), 法布里-珀罗(F-P)干涉仪通光孔径大、 多光束干涉的光谱分辨能力强, 使其在远程弱光探测领域有着天然的优势。 从1914年法布里本人第一次将F-P干涉仪用于天文观测以来, F-P干涉仪已被广泛应用于远程光谱测量领域, 并逐渐发展出各种改进型F-P干涉仪。 传统F-P干涉仪在远程探测领域主要面临三个问题: 自由光谱范围窄, 大孔径的F-P干涉仪装调难度大, 环状干涉结构能量分散。 随着探测需求的不断提升和科学技术的长足进步, 解决方案也应运而生, 本文介绍了三种典型的改进型F-P干涉仪, 分别是: 增加自由光谱范围的级联F-P干涉仪, 适用于极端环境下的旋转扫描F-P干涉仪以及将能量分散的干涉圆环转换为能量集中的干涉直线的F-P干涉系统(CLIO)。 对F-P干涉仪在气象、 天文、 深海等领域中的重要应用进行了系统的总结。 在气象学领域, 介绍了用于大气中层和热层风速测量的大口径F-P干涉仪, 测量大气中的痕量气体及其同位素体的德国海森堡高精细度F-P干涉仪; 在天文学领域, 介绍了由美国威斯康星大学设计、 用于研究星际物质发射线的级联F-P干涉仪; 在海洋学领域, 介绍了国内F-P干涉仪测量布里渊散射的主要应用实例: 2004年北京师范大学设计的水下布里渊散射系统, 2021年上海交通大学设计的星载布里渊散射系统等; 在大气污染检测领域, 介绍了南开大学设计的F-P干涉仪用于测量飞秒激光远程光丝NaCl气溶胶荧光光谱。 最后提出光谱识别精度, 热稳定性是未来F-P干涉仪应用在远程光谱测量领域需要进一步突破的难点。

关键词: 法布里-珀罗干涉仪; 远距离弱信号探测; 天文学; 气象学; 海洋学
中图分类号:O433.1 文献标志码:R
Applications of Fabry-Perot Interferometer in Remote Sensing Detection
JIN Kang1, ZHANG Nan1, LIU Bing2,*
1. Institute of Modern Optics, College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China
2. Department of Disease Control and Prevention, Rocket Force Characteristic Medical Center, Beijing 100088, China
*Corresponding author
Abstract

Remote spectral detection is an important way to explore large-scale space and matter, which plays critical roles in astronomy, meteorology, and the deep sea. However, detecting remote and often weak spectra poses high requirements for the performance of spectrometers. According to the spectral performance evaluation standard proposed by Jacquinot, compared with other spectral systems (grating spectrometer, prism spectrometer, etc.), the Fabry Perot (F-P) interferometer has a large aperture and high spectral resolution, which possesses the intrinsic advantage in the field of remote weak light detection. Since Fabry first used the F-P interferometer for astronomical observation in 1914, the F-P interferometer has been widely used in remote spectral measurement, and various improved F-P interferometers have been developed in recent years. Traditional F-P interferometers mainly face three problems when used in remote spectral detection: narrow free spectral range, difficult installation and adjustment of large aperture F-P interferometers, and unconcentrated spectral energy induced by the circular interference structures. This article introduces three typical improved F-P interferometers, including the cascaded F-P interferometer that greatly extends the free spectral range, the rotating scanning F-P interferometer that eases the adjustment and is suitable for extreme environments,and the circle-to-line interferometer optical system(CLIO) that converts interference rings to interference lines with improved energy concentration.This article provides a systematic summary of the important applications of the F-P interferometer in meteorology, astronomy, and the deep sea. In meteorology, a large-aperture F-P interferometer for measuring wind speeds in the atmosphere’s mesosphere and thermosphere was introduced, and a German Heisenberg high-precision F-P interferometer for measuring trace gases and their isotopes in the atmosphere was also presented. In astronomy, a cascaded F-P interferometer designed by the University of Wisconsin in the United States for studying interstellar material emission lines was introduced. In the field of oceanography, the main application examples of domestic F-P interferometers for measuring Brillouin scattering were introduced, including the underwater Brillouin scattering system designed by Beijing Normal University in 2004 and the spaceborne Brillouin scattering system designed by Shanghai Jiao Tong University in 2021. Finally, this article proposes that spectral recognition accuracy and thermal stability are difficulties that need to be solved in the future applications of F-P interferometers in remote spectral measurement.

Keyword: Fabry-Perot interferometer; Remote weak signal detection; Astronomy; Meteorology
引言

一直以来, 微弱信号检测是人类探索宏观微观领域的重要手段, 无论光年之外的星辰, 深不可测的海底, 还是人眼难辨的尘埃, 都离不开远程/弱光光谱测量。 例如, 在天文学领域, 星体表面物质的微弱发射光谱, 宇宙微波背景辐射以及远距离的天文图像, 是宇宙学天文学进行研究的重要依据[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]; 在气象学领域, 高空中气体的微弱发射线的多普勒频移是研究平流层和中间层风速、 风向以及气温的重要测量参数[2, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]; 在海洋学领域, 通过分析物质的布里渊散射谱线, 即利用布里渊散射激光雷达技术, 可以实时测量水体的流速、 温度、 盐度和衰减系数, 监测海洋环境和检测水下目标[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24]。 飞秒激光成丝诱导光谱技术(FIBS)也是快速发展的远程微弱信号检测技术, 可通过识别物质的荧光谱线对物质成分进行分析[25, 26, 27, 28]。 FIBS在空气污染物、 水污染物、 危险材料检测方面具有广阔的应用前景, 探测距离可达几十米至公里量级。

在上述领域中, 采集与测量远程弱光光谱信号, 对光谱仪的性能提出了很高的要求。 1954年, Jacquinot提出可用集光能力(L)和分辨本领(R=λ/λres, λ表示波长, λres表示该波长下的分辨率)二者的乘积评价光谱仪性能[29, 30], 即: L×R=光通量收集能力×分辨能力。

基于这一标准对不同的光谱测量系统(棱镜、 光栅、 法布里-珀罗标准具、 迈克尔逊干涉仪)进行比较研究时发现, 具有圆对称性的干涉光谱仪, 比如迈克尔逊双光束傅里叶变换光谱仪, 法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)干涉仪等, 明显优于棱镜和光栅光谱仪。 圆对称干涉光谱仪在集光能力和分辨本领方面的综合优势, 也被称为“Jacquinot优势”。 F-P干涉仪具备的“Jacquinot优势”使其广泛应用于远程探测和弱光探测领域。

1 F-P干涉仪原理及其在远程探测中的优缺点
1.1 F-P干涉仪原理

图1是F-P干涉仪的原理示意图。 待测光首先经过透镜L1。 透镜L1可以减小待测光束的发散角。 F-P干涉仪由两个高反射率的介质膜反射镜P1、 P2构成, 两个反射镜的后表面与前表面不平行, 这保证了多光束干涉仅来源于两个互相平行的前表面(α面)。 经两个反射镜之间多次反射而产生的光束由透镜L2聚焦, 焦点处形成多光束干涉, L1、 L2的焦距分别为f1、 f2。

图1 F-P干涉仪原理示意图Fig.1 F-P interferometer diagram

F-P干涉仪的透射强度由式(1)决定

T=IOIi=11+Fρsin2δ2(1)

式(1)中, Fρ=4ρ/(1-ρ)2是条纹精细度系数, 在理想情况下仅与反射镜的反射率ρ相关。 δ=4πhcosθ/λ是两个相邻透射光束之间的相位差, 由反射镜间距h, 光束入射角θ(见图1)和光波长λ决定。

F-P干涉仪的光谱分辨率和自由光谱范围分别由式(2)和式(3)确定

λres=λ2πhF(2)

λFSR=λ22h(3)

1.2 F-P干涉仪在远程探测中的优缺点

F-P干涉仪用于远程弱光光谱测量时的主要优势如下:

(1)强大的集光能力。 与基于色散原理的光栅光谱仪相比, F-P干涉仪的集光能力来源于其大的通光孔径, 现阶段已有直径超过10 cm的F-P干涉仪[31, 32]; 而光栅光谱仪的集光能力受限于狭缝宽度, 其狭缝宽度通常在毫米量级, 宽度过大会降低光谱分辨率。 在集光能力方面, Jacquinot对F-P光谱仪和光栅光谱仪做了对比, 在相同光谱分辨率条件下, 两者的光通量Φ 之比满足

G=ΦF-P/Φgrating=3.4/γ(4)

γ和F-P干涉仪加工制作误差以及光栅光谱仪的闪耀角有关, F-P光谱仪的加工误差越小, γ越小一般来说, γ取值范围在1/10~1/100[33]。

(2) 极高的分辨本领。 相比于其他类型的光谱仪, F-P干涉仪提高光谱分辨本领的方式更加简单, 除了增加两反射镜的反射率以外, 还可以通过增加两反射镜的间距提高光谱分辨率, 而光栅光谱仪则需要使用线对数更高的光栅来提高光谱分辨率[34, 35], 相比之下, F-P干涉仪提高分辨率的方式更为简单。

(3)光栅光谱仪的集光能力与分辨率相关联, 要获得高光谱分辨率, 需要更窄的入射狭缝宽度, 从而降低了集光能力。 然而, F-P干涉仪的集光能力和光谱分辨率二者相互独立, 提高分辨率并不会对集光能力造成影响[36]。

F-P干涉仪用于光谱探测时的缺点主要包括如下两方面:

(1)F-P干涉仪的自由光谱范围小, 自由光谱范围是F-P干涉仪的光谱测量范围, 当待测光谱超过自由光谱范围时, 会出现光谱越级现象。 自由光谱范围一般可以表示为ΔλFSR=λ/m, m表示级次。 光栅光谱仪的衍射级次通常为1级, 比法布里珀罗干涉仪的干涉级次(几十~数千)要小得多, 因此F-P干涉仪的自由光谱范围比光栅光谱仪的自由光谱范围小得多。 例如, 当F-P干涉仪的腔长h=1 mm时, 自由光谱范围在632.8 nm处, 只有0.2 nm, 这对于宽光谱测量十分不利。

(2)F-P干涉仪的条纹精细度, 即光谱分辨率会受到反射镜表面粗糙度[见图2(a)]、 反射镜曲率[图2(b)]和两反射镜不完全平行[37][图2(c)]的影响。 要想获得高光谱分辨率, 必须尽量减少图2所示的反射镜缺陷和装调误差[38, 39, 40]。

图2 F-P干涉仪反射镜缺陷和调整误差Fig.2 Mirror defectsand alignment error of F-P interferometer

上述反射镜缺陷和装调误差会导致F-P干涉仪的条纹精细度降低, 从而使光谱分辨率下降。 F-P干涉仪实际的条纹精细度系数F是由如式(5)和式(6)计算[41]

1F2=1Fρ2+1FS2+1FP2+1FD2(5)

FD=λΔεd32ln(2), FP=λ2ΔεP, FS=2(kϑ)2(6)

式(5)和式(6)中, Fρ是式(1)中理想情况下的条纹精细度系数, FS是反射镜不平行对精细度系数产生的影响, FD和FP分别是反射镜表面的粗糙度和曲率对精细度系数造成的影响, Δε d是反射镜表面粗糙度, Δε P是反射镜曲率导致的反射镜间距的波动, ϑ 是两个不平行反射镜之间的角度。 k是与干涉级次相关的系数。

2 法布里-珀罗干涉仪在远程光谱探测领域的发展历史

F-P干涉仪在远程光谱探测领域的首次应用可以追溯到1911年, Fabry本人将F-P干涉仪用于测量猎户座星云的氢原子发射谱线。 表1展示了F-P干涉仪在远程弱光探测领域的发展历史。 时至今日, 这种大通光孔径高分辨率光谱测量技术已经成为远程弱光探测领域的重要测量手段, 在天文观测、 气象学、 水质检测等领域发挥着不可替代的作用。

表1 F-P干涉仪在远程光谱探测领域中的发展历史 Table 1 Development history of F-P spectrometer in the field of remote spectral detection
3 改进型F-P干涉仪

随着远程探测的深度和广度不断增加, 为了适应不同场景的应用需求, 克服传统F-P干涉仪存在的缺陷, 研究人员对F-P干涉仪的结构进行了改进和优化。 下面介绍几种代表性的改进型F-P干涉仪。

3.1 级联F-P干涉仪

对于传统F-P干涉仪, 其自由光谱范围随光谱分辨率的提高而减小。 因此, 传统F-P干涉仪不能实现对宽光谱的高分辨测量。 为了同时获得大自由光谱范围和高光谱分辨率, 必须对传统F-P干涉仪进行改进[36, 57]。

将两个或多个F-P干涉仪串联, 可解决传统F-P干涉仪不能同时实现大自由光谱范围和高光谱分辨率的问题。 双级联F-P干涉仪的装置图如图3(a)所示。 光源发出的光经过一个前透镜准直后进入F-P干涉仪, 从第一个F-P干涉仪出射后, 再经过第二个F-P干涉仪, 只有同时满足两个F-P干涉仪的相干相长条件, 光束的能量才能最多地穿过级联F-P干涉仪, 被光电探测器探测。 双级联F-P干涉仪中两个干涉仪的腔长并不相等, 长腔长的F-P干涉仪保证高光谱分辨率, 透射曲线如图3(b)所示。 短腔长F-P干涉仪起到抑制长腔长F-P干涉仪临近干涉峰的作用, 透射曲线如图3(c)所示。 双级联F-P干涉仪的总透射强度如图3(d)所示。 假设两个F-P干涉仪的条纹精细度系数F一致, 待测波长为λ, 第一个F-P干涉仪的腔长为L1, 待测波长可透过第一个F-P干涉仪的条件是

m1λ=2L1(7)

图3 (a)双级联F-P干涉仪光路图; (b)—(d)双级联F-P干涉仪增加自由光谱范围的原理示意图[52]Fig.3 (a) Schematic of dual tandem F-P interferometer; (b)—(d) Schematic diagrams describing the principle of dual tandem F-P interferometer[52]

第二个F-P干涉仪的腔长为L2, 待测波长可以透过第二个F-P干涉仪的条件是

m2λ=2L2(8)

式(7)和式(8)中, m1和m2为正整数。

假设λ'为另一个可以同时透过两个F-P干涉仪的波长, 则有

λ'=2L1M=2L2N(9)

式(9)中, M和N是正整数。 因此,

M=Nm1m2(10)

由(10)式可知, 当m1和m2不可约时, 只有当M和N分别为m1和m2的整数倍时, λ'才能同时透过两个F-P干涉仪。 因此, λ'的取值为

λ'=λ/2, λ/3, λ/4, …(11)

只要两个F-P干涉仪的腔长对应的级次m1和m2不可约, 则级联F-P干涉仪的自由光谱范围将拓展为(λ/2, λ), 即

ΔλFSR级联=λ/2(12)

级联F-P干涉仪的自由光谱范围是单一F-P干涉仪的自由光谱范围(ΔλFSR=λ/m)的m/2倍。 由于F-P干涉仪的级次m通常为几十甚至数千, 因此, 级联F-P干涉仪大幅拓展了F-P干涉仪的自由光谱范围。 并且, 级联F-P干涉仪打破了单一F-P干涉仪分辨率越高自由光谱范围越窄的约束条件, 级联之后的分辨率由分辨率较高的长腔长F-P干涉仪决定, 不再受自由光谱范围的约束。

目前, 双级联F-P干涉仪已经被广泛应用于天文学和气象学领域[55, 58, 59, 60, 61, 62], 包括但不限于星际物质探测, 大气气流流速测量等。

3.2 旋转式扫描F-P干涉仪

2020年, 为了适应水下和高空的低温环境, 加拿大的Ian.V等设计了如图4所示的单片摆式扫描装置[56], 该结构包含两个夹角为90°的精密金刚石车削平面镜, 引导光线通过标准具, 标准具安装在如图所示的位置, 可实现± 7°范围的偏转, 同时起到孔径光阑的作用。 角度扫描的优点是只需要围绕一个轴转动, 而间隙扫描则需在测量时, 时刻保持反射镜的平行度。 角度扫描的设计简化了驱动控制组件, 并且用更易制造的F-P标准具替代了F-P干涉仪。 此外, 在极端环境(温度, 压强)中, 机械结构会因为材质的原因变得不稳定, 传统F-P干涉仪的间隙扫描在平行度方面很难得到保障, 而角度扫描可实现极端环境下的精确测量, 适用于空间和水下环境中的测量应用。 角度扫描设计的缺点是随着摆动的角度增加, 标准具会发生孔径走离, F-P干涉仪的有效孔径减小, 集光能力减弱。

图4 (a)旋转式F-P干涉仪示意图, 其中蓝色为标准具, 入射光束经直角镜(黄色)导入和导出标准具, 直角镜围绕枢轴(紫色)旋转, 由旋转驱动器(绿色)驱动; (b)标准具的截面图, 由晶片-气隙-基板-气隙-晶片结构构成(尺寸未按比例显示); (c)标准具实物照片Fig.4 (a) Schematic diagram of a rotating F-P interferometer, where the etalon is shown in blue, and the incident beam is guided into and out of the etalon through a right-angle mirror (yellow), which rotates around a pivot (purple) and is driven by a rotating driver (green); (b) Cross-sectional view of the etalon which has a wafer-air-gap-substrate-air-gap-wafer structure (dimensions not shown to scale); (c) Photo of the etalon

表2 旋转式F-P干涉仪所用标准具的相关参数 Table 2 Parameters of the etalon used in the rotary F-P interferometer
3.3 实现干涉圆环到干涉线转换的F-P干涉仪

使用F-P干涉仪测量大发散角光源的光谱时, 在F-P干涉仪后透镜的焦平面上会形成大直径的干涉圆环结构, 能量分布非常分散。 当光信号较弱时, 焦平面上分散的能量分布会减弱F-P干涉仪的大通光孔径、 大集光能力在弱光探测中的优势。 为解决这一问题, Hays等设计了干涉线转换的F-P干涉仪(circle-to-line interferometer optical system, CLIO)结构, 该结构将这些干涉圆环转换为类似于传统光栅光谱仪产生的线状衍射级, 同时保留了F-P干涉仪的大口径的优势, 提高焦平面上的能量集中度。 CLIO结构的设计初衷是解决由于面阵CCD尺寸有限, 而导致的能量损失问题。 同时, CLIO结构可提高能量集中度的特性, 使其在远程弱光光谱测量中也发挥着重要作用[63, 64]。

CLIO结构图如图5所示, 该结构主要由一个特制的V型反射镜(V-mirror)和一个锥面反射镜(degree cone)构成, 标准具后面是形成干涉环的聚焦透镜(fringe forming lens)。 其中, F-P干涉仪的通光孔径为10.2 cm, 腔长7 mm, 两腔镜反射率91%。

图5 (a)圆锥反射镜实现干涉圆环到干涉直线的转换; (b) CLIO光学系统示意图Fig.5 (a) Circle-to-line conversion by a cone segment; (b) schematic of CLIO optical system

仅使用一个锥面反射镜时, 只有干涉环的四分之一会汇聚在探测器元件上, 而四分之三的能量会丢失。 通过使用V型反射镜可将整个圆环转换成干涉线段, 随后通过锥体聚焦到线阵探测器元件上。 完整的CLIO系统如图5(b)所示, 转换后的结果如图6所示。

图6 (a) F-P干涉仪后透镜焦面上形成的环状干涉图样, (b)使用CLIO结构实现干涉环到干涉线转换Fig.6 (a) Interferometric annular pattern formed at the focal plane of the rear lens of the F-P interferometer; (b) interferometric lines transformed from the interferometric circles by CLIO

4 F-P干涉仪的应用场景
4.1 气象学

大气中间层和热层分别位于海拔90~100 km以及200~300 km的高度, 大气中间层和热层中氧气气辉(波长分别为557.7和630.0 nm)的多普勒频移, 包含了气流和温度的重要数据。 为了准确测量风速, 需要亚皮米量级的光谱分辨率, 同时由于到达地面的气辉强度较弱, 因此, F-P干涉仪是首选的气辉光谱探测装置。

2009年, 在挪威的港口城市特罗姆瑟安装了一个口径116 mm的F-P干涉仪[65], 用来测量氧气气辉, 如图7所示。 图7(b)是该F-P干涉仪的结构图。 位于最上方的天空扫描仪由两个电机驱动的45°直角棱镜组成, 用于将F-P干涉仪的光轴指向天空的任何区域。 天空扫描仪入口孔径为10.8 cm×10.8 cm, 入射光的最大角度为± 2.5°。 此处使用的干涉滤光片的中心波长为630.0、 557.7和732.0 nm, 带宽分别为2.5、 2.5和1.5 nm。 透镜L1将光聚焦在焦点C处, 场镜L2可减小光扩散在透镜L3处产生的渐晕。 透镜L3的焦距为300 mm, 起到将光束准直的作用。 F-P干涉仪的直径为116 mm, 标准具两个反射镜的反射率为85%, 表面平整度为λ/100, 反射镜间距为15 mm, 放置在密封外壳中。 经过F-P干涉仪的透射光由透镜L4聚焦到CCD平面上。

2009年在日本Shigaraki, 2010 年在泰国、 印度尼西亚和澳大利亚的日地环境联合实验室, 2011年在秘鲁(纳斯卡和吉卡马卡)和阿拉斯加等地, 克莱姆森大学安装了同样类型, 口径稍小(70 mm)的F-P干涉仪[66]。 在日本的Shigaraki, 使用该F-P干涉仪完成了大气热层630.0 nm波长天空气辉的测量, 测量结果如图7(c)—(f)。 其中图7(c)和(e)分别是天空气辉和氦氖激光器经过F-P干涉仪后的干涉图像, 图7(d)和(f)是将图7(c)和(e)中的每个干涉环进行积分后的径向剖面图。 图7(d)与(f)相比, 光谱宽度有所展宽, 这是天空气辉发生了与温度相关的多普勒频移导致的展宽。

图7 用于气辉观测的大口径F-P干涉仪实物图(a)和光路图(b); (c): 630.0 nm天空气辉的干涉图像, (e): 632.8 nm的He-Ne激光的干涉图像; (d)和(f)是将(c)和(e)中的每个干涉环进行积分后的径向剖面图
A: 直角棱镜; B: 滤光片(3英寸, 557.7、 630.0、 732.0 nm); C: L1和L3的焦点; D: 标准具(口径116 mm, 腔长15 mm, 镜面反射率85%, 表面平整度λ/100, 最大入射角1.3°); E: CCD探测器; F: 稳频氦氖激光器; G: 快门; H: 光纤; L1—L4: 消色差透镜, 口径分别为65、 30、 117和117 mm, 焦距分别为: 152.45、 300、 300和300 mmFig.7 3D structure (a) and optical layout (b) of the F-P interferometer; (c) the interference pattern of 630.0 nm sky glow; (e) the interference pattern of 632.8 nm He-Ne laser; (d) and (f) are radial intensity distribution of (c) and (e) after integrating the interferometric rings
A: Right-angle prism; B: Filter wheel (3-inch band pass filters with central wavelengths of 557.7, 630.0, 732.0 nm, respectively); C: Focal spot of lenses L1 and L3, D: Etalon (aperture: 116 mm, cavity length: 15 mm, mirror reflectance: 85%, surface roughness: λ/100, the maximum incident angle: 1.3°); E: CCD camera; F: Frequency-stabilized He-Ne laser; G: Shutter; H: Optical fiber; L1—L4: Achromatic lenses with diameters of 65, 30, 117, 117 mm and focal lengths of 152.45, 300, 300, 300

气体流速v和散射谱线的多普勒频移Δλ、 激发光波长λ0之间的关系为: v=Δλc/λ0。 此式表明, 通过测量激发光经气体散射的回波波长的频移, 即可实现对风速测量。

而在本文中风速的计算公式为式(13)和式(14)

m=2nhλ0(1+(vcosα)/c)(1-rN2/2f2)=2nhλ0(1-(vcosα)/c)(1-rS2/2f2)(13)

v=ccosαrS2-rN24f2-(rN2+rS2)(14)

式(13)和式(14)中, m是F-P干涉仪的级次, n是折射率, 近似等于1, h=15 mm是F-P干涉仪的腔长, λ0=557 nm是测量所用的激光波长, v是此时的风速, α是扫描仪[图7(b)中的A]面向天空的仰角, f=300 mm是L4的焦距[见图7(b)], rN和rS是天空扫描仪指向南方和北方时, 相同级次下干涉环的半径。 根据光谱数据可计算出热层风速, 如图7(c)所示, 气辉强度越大, 干涉环越明显, 对比度随之越强, 半径测量值越准确, 从而误差越小。 实验使用了多组干涉环, 不同干涉环对比度不同导致测量误差为一个范围, 即2~50 m·s-1。

2021年, 为了远距离测量大气中的痕量气体及其同位素体, 对流层中OH自由基, O2浓度, 各种悬浮气溶胶, 以及太阳诱导的叶绿素等, 德国海德堡大学Kuhn[67]等设计了一个分辨本领达到14 800, 而重量却不足5 kg的F-P干涉仪, 该系统如图8(a)所示, 探测器测量到的光谱强度如图8(b)所示。 F-P干涉仪的集光能力与相同分辨本领的光栅光谱仪相比大2个数量级, 测量距离可达10 km。

图8 F-P光谱仪的原理图
(a): 来自大气的光通过望远镜、 光纤进入F-P光谱仪, OSM(order-sorting mechanism), 相当于滤光片, 限制进入F-P干涉仪的光谱带宽; (b): 位于焦平面的探测器记录的强度分布Fig.8 Schematic optical set-up of an FPI spectrograph
(a): Light from the atmosphere is directed to the spectrograph entrance a telescope, an optical fiber (if needed) OSM (order-sorting mechanism) is equivalent to a filter, limiting the spectral range of incident into FPI; (b) The intensity map observed on the focal plane detector

为了进一步提高对于90 km外天空气辉光谱的收集, 2023年1月, Mahavarkar等在印度班加罗尔[68]利用大口径积分球(直径0.5 m)配合大口径F-P干涉仪(直径10 cm), 实验装置如图9(a)所示。 He-Ne光以45°角入射积分球, 从积分球出射的光经过消色差透镜组成的缩束系统进入F-P干涉仪, F-P干涉仪腔长1.5 cm, 工作温度为10~50 ℃。 经过F-P干涉仪形成的干涉环如图9(b)所示。

图9 (a)印度班加罗尔天体物理研究所光子实验室的光学装置, 积分球由He-Ne激光器(632.8 nm)提供光源; (b)探测器观测到的图像Fig.9 Optical set-up at the Photonics Laboratory of the Indian Institute of Astrophysics Bengaluru India. The integrating sphere was fed by He-Ne laser (632.8 nm) respectively; (b) Images observed by the detector

4.2 天文学

2000年以来对银河系微弱发射线的研究表明, 暖电离物质(warm ionized medium, WIM) 是星际物质(interstellar medium, ISM) 的重要组成部分。 测量暖电离物质的光发射是研究银河系中暖电离物质的分布、 运动和其他特性的主要手段。 由于暖电离物质的大尺度扩展特性, 大通光孔径F-P干涉仪是首选的测量设备, 并已成功用于暖电离物质研究。

典型的应用实例如下。 1996年, 美国威斯康星大学设计并研制了Wisconsin HαMapper (WHAM)系统[52]。 系统结构如图10所示, 系统通光孔径15 cm, 由双级联F-P干涉仪组成, 其中高分辨率F-P干涉仪的腔长为471 μm, 低分辨率F-P干涉仪的腔长为201 μm, 低分辨率F-P干涉仪用于抑制高分辨率F-P干涉仪的临近级次, 提高自由光谱范围。 该测量系统改变光程差的方式是通过加压调整F-P干涉仪中的气体折射率, 以此来改变光程差。 该测量系统的分辨本领达到2 500, 能够测量到的最远距离为距银道面(银道坐标系所在的平面)1~2 kpc。 该系统的缺点是环境温度变化会改变空气密度和折射率, 因此必须每晚对系统进行校准。

图10 WHAM结构图Fig.10 Structure of WHAM

4.3 海洋学

将特定波长的激光脉冲发射到海水中, 由于电致伸缩效应, 介质发生周期性密度和介电常数变化, 光子与弹性声波(声子)作用, 从而发生布里渊散射。 布里渊散射会在反向散射光中产生额外的频率分量, 这些分量会使激光的频率发生蓝移或者红移, 偏移的大小取决于声子的频率, 而声子的频率又与海水的温度和盐度紧密相关。 因此, 分析反向散射光脉冲的到达时间和频移可分别得到海水深度和温度的信息[69]。

布里渊散射光谱测量技术已广泛应用于海洋学中, 比如海底地形地貌测量, 海水温度、 盐度测量等。 由于布里渊散射所导致的光子能量变化仅为meV量级, 对应的波长变化小于1 nm, 因此, 准确测量布里渊散射光谱除了要求激光光源具有良好的频率稳定性和窄线宽特性, 还要求光谱测量系统具有高光谱分辨能力。 此外, 布里渊散射是一种非线性光学现象, 因此, 布里渊散射强度较低, 这就要求光谱测量装置具有弱光探测能力[70]。 F-P干涉仪的大通光孔径和高光谱分辨率优势, 使其成为海水布里渊散射光谱测量的理想光谱检测设备。

早在1984年, Hirschberg等[48]提出了一种使用激光测量深水流速的方法。 脉冲激光束入射到海中, 利用F-P干涉仪探测并分析布里渊散射信号。 探测深度由出射光和返回光之间的时间延迟决定, 而水流速度可由布里渊散射光的波长分布确定。 Hirschberg等在靠近迈阿密航道的一个码头, 利用氩离子激光器和F-P干涉仪, 通过布里渊散射计算出了水下8 m的水流速度为1.5 m·s-1, 由于当时航道向海的一端在进行疏浚, 他还测量到了一些杂草、 浮游生物和其他物体的移动。

2004年, 北京师范大学Wei等[71]利用F-P干涉仪扫描技术, 测量了水下30 m处铝块的布里渊散射谱, 该F-P干涉仪由两个反射率为99.5%的平面镜组成, 其自由光谱范围为18.54 GHz, 测量的深度误差在1 m以内。 在此实验基础上, 2007年, 为了实时获取二维布里渊散射光谱分布[72], 将布里渊散射系统的接收端改进为F-P干涉仪结合增强型工业相机(ICCD)的方式, 如图11所示。 使测量系统能够实时获取水中特定区域的布里渊散射信号形成的二维图像, 从而获得流速分布图。

图11 利用F-P干涉仪和ICCD测量55 m水下布里渊散射的光路图Fig.11 Optical layout of measuring Brillouin scattering at a depth of 55 m in water measured by F-P interferometer and ICCD

该测量方法在不降低灵敏度的情况下, 直接记录图像实现空间分辨, 代替传统的以时间区分空间位置的方式, 将原本需要大量时间扫描才能获取的谱线一次性地呈现为二维分布图, 因而实现了实时采集和显示布里渊散射谱及流速分布。

2021年, 上海交通大学海洋学院参与研制的星载布里渊散射激光雷达[21], 可远程探测海洋的上边界层, 即水下200 m的深度。 该星载系统用于研究上层海洋水体的垂直剖面数据, 例如温度、 盐度、 密度、 声速等数据。 海洋布里渊散射激光雷达系统包括激光发射和接收系统、 光学处理和检测系统以及数据采集和处理系统, 星载布里渊散射激光雷达利用脉冲激光束穿过大气层和海气界面后直接进入海洋。 海洋中的背向散射信号是由水分子和悬浮粒子产生的, 由望远镜收集, 原理如图12所示。 绝大部分激光脉冲能量通过高反射率反射镜M1入射海水, 光电倍增管(PMT)用于监测激光能量的稳定性。 背向散射信号被望远镜接收后入射到光学处理和检测系统中。 光学处理和检测系统包括光束准直系统、 针孔滤波器、 法布里-珀罗标准具、 增强型电荷耦合器件(ICCD)、 计算机和时间表控制器(TSC)。 反向散射信号通过准直系统和法布里-珀罗标准具后形成光谱同心环的精细结构, 并由ICCD相机记录。 随后, 可以获得布里渊散射光谱特性, 并基于数据采集和处理系统对海洋环境参数进一步反演。

图12 布里渊散射海洋激光雷达系统原理图
BS: 分束器; M1和M2: 反射镜; PMT: 光电倍增管; L1和L2: 光束准直镜; S: 针孔滤波器; F-P: F-P干涉仪; ICCD: 增强型CCD相机Fig.12 Configuration of the Brillouin scattering oceanic lidar system
M1: Beam splitter; M2 and M3: Mirrors; PMT: Photomultiplier tube; L1 and L2: beam collimation system; S: Pinhole filter; F-P: Fabry-Perot etalon; ICCD: Intensified charge-coupled device

该装置对全球各个领域、 各个时间段的海水布里渊散射进行了详细的研究。 研究发现, 水中太阳光谱辐射引起的背景噪声对激光雷达探测性能有显著影响。 公海水域和沿海水域较为合适的探测波长分别为490和540 nm; 布里渊散射激光雷达的探测深度在夜间运行比白天运行的探测深度深10 m。

4.4 大气污染检测

飞秒激光诱导远程光谱探测技术在生产生活, 国防安全, 大气污染检测等领域有着重大的科学价值。 飞秒激光在空气中传输时, 由于非线性自聚焦效应, 聚焦后的光强达到1013 W·cm-2, 在此强度下, 任何物质都将发生电离, 并发射特征荧光谱线。 通过测量光丝激发的荧光光谱, 可以识别与光丝作用的物质成分及浓度, 从而对大气污染状况提供数据支持。 然而由于荧光信号极为微弱, 如何有效地收集这些远程弱荧光信号是目前亟待解决的问题。

2022年, 南开大学刘伟伟教授课题组自搭通光孔径2 cm的F-P干涉仪, 配合1.1 m的菲涅耳透镜测量到了10 m外飞秒激光光丝激发的13 ppm浓度的NaCl气溶胶荧光光谱[73], 超越了目前光丝气溶胶探测的检测极限。 实验装置如图13(a)所示, 其中, 1.1 m的菲涅耳透镜作为集光元件能够收集10 m处的荧光信号, 菲涅耳透镜焦点处的光斑较大, 利用F-P干涉仪通光孔径大的特点, 实现了荧光光谱的高效收集与探测。 实验结果如图13(b)所示, 红色同心圆环是用于校准的氦氖光经F-P干涉仪后的干涉图案, 黄色同心圆环是10 m外光丝激发的13 ppm NaCl气溶胶荧光的干涉图案。 该实验为远程荧光光谱的收集与探测提供了一种新的方法, 对远程探测大气污染物有重要意义。

图13 (a) 飞秒激光光丝诱导的NaCl 气溶胶荧光光谱测量装置, M1—M4: 介质膜高反镜; (b) NaCl气溶胶荧光的干涉图像与He-Ne光干涉图像对比: 红色圆环为He-Ne光, 黄色圆环为钠荧光Fig.13 Experimental setup for measuring the fluorescence spectrum of NaCl aerogel induced by long-distance femtosecond laser filament, M1—M4: Mirror; (b) Comparison of NaCl aerosol fluorescence interference image and He-Ne laser interference image; red circles are formed by He-Ne laser and yellow circles are formed by the fluorescence of Na

5 结论

F-P干涉仪凭借大通光孔径, 高光谱分辨率的优点, 广泛应用于天文学, 气象学, 海洋学等需要进行远程弱光光谱探测的科学技术领域。 随着器件加工精度的提高以及F-P干涉仪结构的改进, 近年来出现了几种改进型F-P干涉仪, 包括级联F-P干涉仪、 旋转扫描F-P干涉仪和CLIO F-P干涉仪。 这些改进型F-P干涉仪在保证高光谱分辨率和大集光口径优势的同时, 克服了传统F-P干涉仪自由光谱范围窄、 制备装调难度大以及收集能量分散的缺点。 随着科学技术的进步, 大口径F-P干涉仪的加工精度也不断提高。 在天文学领域, 具有几十厘米量级的F-P干涉仪加工工艺已经较为成熟, 表面粗糙度可达λ/5 000[74]。 在热稳定性方面, 由于F-P干涉仪两个反射镜还要满足一定的透光条件, 于是具有良好热稳定性的合金和碳化硅材质不能使用, 只能使用玻璃材质。 因此, 热稳定性和刚度正是研究人员在F-P干涉仪材质方面积极探索的方向。 除此之外, 与大口径F-P干涉仪配套的光谱分析程序也是较难突破的一个研究领域, 如何识别精确分辨出超精细结构比如pm量级的发射谱线, 是机器识别的一个重点[75], 随着光谱测量系统的日益成熟, 轻便集成化的大口径F-P干涉仪也将更广泛地应用在民用领域。

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